连续信号与系统频域分析的MATLAB实现

实验十三连续信号与系统频域的MATLAB实现一、实验目的1.掌握连续时间信号频谱特性的MATLAB分析；2.掌握连续系统的频率响应MATLAB分析方法方法。二、实验原理1.连续时间信号的频谱---傅里叶变换非周期信号的频谱密度可借助傅里叶变换作分析。傅里叶正变换和逆变换分别为：Matlab的符号运算工具箱（SymbolicMathToolbox）提供了能直接求解傅里叶变换和逆变换的符号运算函数fourier()和ifourier()。两函数的调用格式如下。（1）傅里叶变换在Matlab中，傅里变换变换由函数fourier()实现。fourier()有三种调用格式：①F=fourier(f)求时间函数f(t)的傅里叶变换，返回函数F的自变量默认为w，即；②F=fourier(f,v)求时间函数f(t)的傅里叶变换，返回函数F的自变量为v，即；③F=fourier(f,u,v)对自变量为u的函数f(u)求傅里叶变换，返回函数F的自变量为v，即。（2）傅里叶逆变换在Matlab中，傅里变换逆变换由函数ifourier()实现。与函数fourier()相类似，ifourier()也有三种调用格式：①f=ifourier(F)求函数F(j?)的傅里叶逆变换，返回函数f的自变量默认为x，即；②f=ifourier(F,u)求函数F(j?)的傅里叶逆变换，返回函数f的自变量为u，即。③f=ifourier(F,v,u)求函数F(jv)的傅里叶逆变换，返回函数f的自变量为u，即由于fourier()和ifourier()是符号运算函数，因此，在调用fourier()和ifourier()之前，需用syms命令对所用到的变量（如t,u,v,w）作说明。举例如下。例13-1．求单边指数函数的傅里叶变换，画出其幅频特性和相频特性图。图13-1解：编写如下M文件，symstwff=exp(-2*t)*sym('Heaviside(t)');F=fourier(f)subplot(3,1,1);ezplot(f,[0:2,0:1.2]);subplot(3,1,2);ezplot(abs(F),[-10:10]);subplot(3,1,3);ezplot(angle(F),[-10:10])运行后，可得如下的文本和如图13-1所示图形结果。F=1/(2+i*w)上式相当于：要说明的是，相频特性图中，相位的单位为“弧度”。例13-2．求的傅里叶逆变换。图13-2解：编写如下M文件，symstwF=1/(1+w^2);f=ifourier(F,w,t)ezplot(f)运行后，可得如下的文本和如图13-2所示图形结果。f=1/2*exp(-t)*Heaviside(t)+1/2*exp(t)*Heaviside(-t)上式相当于：2.连续系统的频域分析线性时不变（LTI）系统如图13-3所示。若系统的冲激响应为，频率响应为，则激励和响应在时域和频域的关系如下：图13-3系统的频率响应函数为其中，为系统的幅频特性，反映了输出与输入信号幅度之比随输入信号角频率?变化的规律；为系统的相频特性，体现了输出与输入信号的相位差随输入信号角频率?变化的规律。若描述系统的微分方程为由微分方程的系数构成向量：，。系统的频率响应函数是一个非常重要的参数，Matlab工具箱中提供了专门用于分析连续系统频率响应的freqs()函数。利用freqs()函数可求出系统频率响应的数值解，也可绘出其幅频特性和相频特性曲线。freqs()函数的调用形式有如下四种。（1）H＝freqs(b,a,w1:dw:w2)该调用方式，可求得指定频率范围（w1~w2）内相应频点处系统频率响应的样值。其中，w1、w2分别为频率起始值和终止值，dw为频率取样间隔。如，输入如下命令：a=[12];b=[1];%系统微分方程为H=freqs(b,a,0:0.5:2)%计算在0~2(rad/s)频率范围内以0.5rad/s间隔取样的频响样值运行结果为：H=0.50000.4706-0.1176i0.4000-0.2000i0.3200-0.2400i0.2500-0.2500i（2）[H,w]＝freqs(b,a)该调用方式，将计算默认频率范围内200个频点上系统频率响应的样值，并赋值给返回向量H，200个频点则记录在向量w中。（3）[H,w]＝freqs(b,a,n)图13-4该调用方式，将计算默认频率范围内n个频点上系统频率响应的样值，并赋值给返回向量H，n个频点则记录在向量w中。（4）freqs(b,a)该调用方式将绘出系统的幅频特性和相频特性曲线。若输入如下命令：a=[12];b=[1];frqs(b,a,0:0.5:2)运行结果如图13-4所示。三.实验1.图13-5（A）所示系统中，低通滤波器的频率响应如图13-5（B）所示，且。编写M文件，绘出f(t),x(t),y(t)的幅频特性和相频特性图。图13-52.描述系统的微分方程如下。编写M文件，绘出系统的频率响应H(j?)的幅频、相频响应曲线。3.利用MATLAB求图13-6所示的有源二阶电路的冲激响应、阶跃进响应和频率特性，画出幅频、相频响应曲线。图13-6四.#实验#要求列出M文件和运行结果。运用函数fourier、ifourier、freqs分析连续信号、连续系统频率特性的方法。